Enunciado
Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 7.Problemas - Ex. 117
Os estágios de compressão de compressores axiais de turbinas a gás industriais são compactamente acoplados, o que impossibilita o resfriamento intermediário. Para resfriar o ar nesses compressores e reduzir a potência de compressão, é proposta a aspersão de uma névoa de água (cujo tamanho de gota é aproximadamente igual a 5 mícrons) na corrente de ar enquanto ele é comprimido, para que assim o ar seja continuamente resfriado à medida que a água evapora. Embora a colisão entre as gotículas de água e as pás da turbina seja um problema, a experiência com turbinas a vapor indica que elas podem suportar concentrações de gotículas de água de até 14%. Considerando que o ar, inicialmente a 300 K e 100 kPa, é comprimido isentropicamente a uma vazão de 2 kg/s até 1.200 kPa, e que a água é injetada a 20 °C a uma vazão de 0,2 kg/s, determine a redução da temperatura de saída do ar comprimido e a potência de compressão economizada. Considere também que a água vaporiza completamente antes de sair do compressor e que há uma vazão mássica média de 2,1 kg/s.
Passo 1
Oi pessoal, tudo bem?
Vamos assumir que:
1. O ar é um gás ideal com aquecimentos específicos variáveis.
2. O processo é reversível.
3. Energia cinética e potencial mudanças são insignificantes.
3. O ar é comprimido isentropicamente.
4. A água vaporiza completamente antes de sair do compressor.
5. As propriedades do ar podem ser usadas para a mistura ar-vapor.
Obs: Para o ar da tabela A-1 do livro texto podemos encontrar tais propriedades:
E da tabela A-17:
No caso de operação isentrópica (portanto, sem resfriamento ou spray de água), a temperatura de saída e a entrada de energia para o compressor é:
Passo 2
E a potência de saída do compressor pode ser descrita como:
Assim, substituindo os valores:
Bem pessoal, quando a água é pulverizada, primeiro precisamos verificar a precisão da suposição que a água se vaporiza completamente no compressor. No caso limitativo, o a compressão será isotérmica à temperatura de entrada do compressor e a a água será um vapor saturado. Para evitar a complexidade de lidar com duas correntes de fluido e uma mistura de gases, desconsideramos a água na corrente de ar (exceto a taxa de fluxo de massa) e assumimos que o ar é resfriado em uma quantidade igual à mudança de entalpia da água.
A taxa de absorção de calor da água à medida que evapora na entrada é:
E a entrada mínima de energia para o compressor pode ser:
Isso corresponde ao resfriamento máximo do ar, pois, a temperatura constante, Δh = 0 e , portanto, que está perto de 490,8 kW. Portanto, a suposição de que toda a água vaporiza é aproximadamente válida. Então, a redução na entrada de energia necessária devido à pulverização de água torna-se:
Resposta
Portanto: